Näkemyksiä neurodegeneratiivisten sairauksien patogeneesistä: keskittyminen mitokondrioiden toimintahäiriöihin ja oksidatiiviseen stressiin, osa 2

Useat translaation jälkeiset modifikaatiot säätelevät myös mitokondrioiden dynamiikkaa. Drp1-fosforylaatio voi stimuloida joko fissiota tai fuusiota riippuen fosforylaatiokohdasta [100,101].

Neurotieteen jatkuvan kehityksen myötä yhä useammat tutkimukset ovat osoittaneet, että mitokondriodynamiikan ja muistin välillä on läheinen suhde, jolla on myönteinen ja progressiivinen merkitys.

Mitokondriot ovat tärkeä elin soluissa, ja niillä on kaksi päätehtävää: toinen on tarjota energiaa soluille ja toinen on säädellä solujen kehitystä ja elämää. Mitokondrioiden toiminta ei liity pelkästään solujen terveyteen, vaan myös läheisesti ihmiskehon fyysiseen terveyteen. Ihmismuisti on yksi niistä.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että ihmisen aivoissa on tapahtunut monia muutoksia mitokondrioiden dynamiikassa, kuten lisääntynyt mitokondrioiden tiheys, mitokondrioiden migraatio ja mitokondrioiden regeneraatio. Nämä muutokset eivät liity ainoastaan ​​aivojen hermosolujen terveyteen, vaan myös läheisesti aivomuistin paranemiseen.

Erityisesti mitokondriodynamiikka voi edistää tiedonsiirtoa aivojen hermosolujen välillä, mikä edistää muistin ja oppimisen muodostumista, lujittamista ja uusiutumista. Lisäksi extreme-urheilu ja muut urheilulajit voivat edistää mitokondrioiden tiheyden kasvua, mikä parantaa aivojen muistia ja kognitiivisia kykyjä.

Siksi meidän tulisi osallistua aktiivisesti joihinkin fyysistä terveyttä edistäviin toimiin, kuten liikunta, kuntoilu, hyvien ruokailutottumusten kehittäminen jne., edistääksemme mitokondriodynamiikan kehittymistä ja parantaaksemme muistia ja kognitiivisia kykyjä. Samalla tulee kiinnittää huomiota myös lepoon, stressin vähentämiseen, hyvän terveyden ylläpitämiseen ja sitä kautta tulevan elämän aktiiviseen hoitoon.

Yhteenvetona voidaan todeta, että mitokondriodynamiikan ja muistin välillä on läheinen yhteys. Aktiiviset elämäntavat ja terveet tavat edistävät mitokondrioiden dynamiikan kehittymistä, mikä parantaa aivojen muistia ja kognitiivisia kykyjä. Voidaan nähdä, että meidän on parannettava muistia, ja Cistanche voi parantaa muistia merkittävästi, koska Cistanchella on antioksidanttisia, anti-inflammatorisia ja ikääntymistä estäviä vaikutuksia, jotka voivat auttaa vähentämään oksidatiivisia ja tulehdusreaktioita aivoissa ja siten suojelemaan kehon terveyttä. hermosto. Lisäksi Cistanche voi myös edistää hermosolujen kasvua ja korjausta, mikä parantaa hermoverkkojen liitettävyyttä ja toimintaa. Nämä vaikutukset voivat auttaa parantamaan muistia, oppimiskykyä ja ajattelunopeutta ja voivat myös estää kognitiivisten toimintahäiriöiden ja hermostoa rappeuttavien sairauksien esiintymisen.

Napsauta tietää tapoja parantaa aivojen toimintaa

MFF:n fosforylaatio lisää Drp1:n rekrytointia ja sitä seuraavaa mitokondrioiden fissiota [102], kun taas asetyloidun Mfn1:n ubikvitinoituminen edistää sen proteasomaalista hajoamista [103]; Mfn1:n fosforylaatio ERK:lla estää mitokondrioiden fuusiota edistäen apoptoosia [104].

Tietyt ravintotilat säätelevät myös epäsuorasti näiden kahden prosessin välistä tasapainoa. Vaikka nälkä johtaa yhteensulautuneisiin ja pidentyneisiin mitokondrioihin, ravinteikas ympäristöön liittyy pirstoutuneita mitokondrioita [105,106].

3.4. Autofagia

Autofagia on toinen tärkeä askel proteiinisynteesin ja puhdistuman, organellien biogeneesin ja hajoamisen välisen tasapainon ylläpitämisessä, mikä edistää solujen terveyttä [107]. Sen perusteella, miten kohdelasti kuljetetaan tolysosomien hajoamista varten, autofagia voidaan luokitella [107,108]:

- Makroautofagia, jossa autofagosomi, kaksoiskalvoinen vesikkeli, muodostuu ja fuusioituu lysosomien kanssa, minkä jälkeen lysosomien happamat hydrolaasit hajottavat niiden sisällön;

- Mikroautofagia, prosessi, jonka aikana lysosomit kietoutuvat erilaisten sytosoliyhdisteiden ympärille, jotka hajoavat kalvon involution jälkeen [109];

- Chaperoni-välitteinen autofagia, prosessi, jonka aikana chaperonit sitoutuvat vaurioituneisiin proteiineihin ja lysosomaalisen kalvon reseptoreihin, minkä jälkeen proteiini siirtyy lysosomiin hajoamista varten [110].

Vaurioituneiden mitokondrioiden autofagia tunnetaan myös mitofagiana. Ensimmäinen stepiinimitofagian aloitus on eristyskalvon, autofagosomin muodostuminen, jonka uskotaan olevan peräisin MAM:ista, ER:n kalvoista tai plasmakalvosta [111,112], mitä seuraa ULK1:tä (Unc{{) sisältävän esialoituskompleksin aktivointi. 4}}, kuten kinaasi1, Atg 13 ja 101 (autofagiaan liittyvät proteiinit) ja FIP200 (focal adheesion kinase family interacting partner 200) [113] [113]. beclin1, Atg 14, autofagia ja beclin 1 -säätelijä (AMBRA1) sekä verisuonten proteiinien lajittelu 34 ja 15 (Vps 34 ja 15) fosfatidyyli-inositoli3-fosfaatin (PI3P) tuottamiseksi.

Pi3P tunnetaan myös initiaatiokompleksina [114]. Aktivoinnin jälkeen molemmat kompleksit siirtyvät fagoforin nukleaatiokohtaan [108]. PI3P tunnistetaan ja se on vuorovaikutuksessa muiden IM:ssä sijaitsevien proteiinien kanssa, kuten WD-toistoproteiinin kanssa, joka on vuorovaikutuksessa fosfoinositidin (WIPI) ja FYVE-domeenia sisältävien proteiinien kanssa [115] ja johtaa sarjaan Atgs-konjugaatioita fagoforissa, mikä huipentuu pro-LC3:n pilkkoutumiseen. (kevyt ketju 3) Atg4:llä LC3-I:ksi, joka muuntuu edelleen fosfatidyylietanoliamiinilla LC3-II:ksi ja johtaa eristyskalvon venymiseen ja sulkeutumiseen [116,117].

Υaminovoihappotyypin A-reseptoriin liittyvällä proteiinilla (GABARAP) ja GABARAP:n kaltaisella1 proteiinilla (GABARAPL1) uskotaan olevan samanlaiset roolit kuin LC3:lla autofagosomien laajenemisessa [118].

Signalointiproteiini mTOR (rapamysiinin nisäkäskohde) moduloi voimakkaasti autofagiaa. MTOR:n esto, kuten tapahtuu nälkään, defosforyloi ja aktivoi Atg13:n, mikä sytyttää mitofagian [119].

Kun kasvutekijöitä ja soluravinteita on runsaasti, mTOR fosforyloi Atg 13:a, mikä estää sen sitoutumisen ULK1:een ja FIP200:n kerääntymisen [107]. Autofagosomien fuusiota lysosomeihin välittävät Rab7 ja LAMP-2, lysosomaalinen transmembraaniproteiini [120,121]. Fuusion jälkeen lysosomalentsyymit, pääasiassa katepsiinit, hajottavat autofagosomaalista sisältöä [122].

Ei-reseptorivälitteisessä mitofagiassa mitofagian induktioprosessi aktivoi PTEN-indusoidun kinaasi 1:n (PINK1), joka kerääntyy OMM:ään ja värvää ja fosforyloi Parkinin [123,124]. Parkin kerääntyy OMM:ään ja ubiquitinoi OMM-proteiineja, mikä lisää PINK1:n aktiivisuutta ja lisää Parkinin rekrytointia [113].

Parkinin ubiquitinoimien proteiinien joukossa ovat jännitteestä riippuvat anionikanavat 1 (VDAC1), Mfn1 ja Mfn2 sekä TOM20 (ulomman mitokondriaalikalvon 20 translokaasi), jotka hallitsevat mitokondrioiden fuusiota.

Mfn1/2:n ubiquitinaatio estää fuusioprosessin ja mahdollistaa pienten ja vaurioituneiden mitokondrioiden eristämisen [125].

Ubikvitinoidut proteiinit rekrytoivat autofagiaadapteriproteiineja, kuten OPTN (optineuriini), NBR1 (naapuri BRCA1), TAX1BP1 (Tax-1 sitova proteiini), NDP52 (nukleaarinen pisteproteiini52) tai sekvestosomi-1, jotka ovat vuorovaikutuksessa autofagosomiproteiineilla, kuten GABARAP tai LC3, LC3:n vuorovaikutteisten alueiden (LIR) kautta välittämään autofagosomien muodostumista ja fuusiota lysosomien kanssa [126, 127]. Kuvio 2 esittää kaavamaisesti mitofagian prosessia.

Kuva 2. Mitofagian kaavio. Mitofagian induktioprosessi aktivoi PINK1:n, joka kerääntyy OMM:ään ja värvää ja fosforyloi Parkinin.

Jälkimmäinen ubikvitinoi OMM-proteiineja, kuten mitofusiineja 1 ja 2 (Mfn), jännitteestä riippuvaisia ​​anionikanavia 1 (VDAC1) ja TOM20:tä (ulomman mitokondriokalvon translokaasi 20).

Autofagosomien muodostuminen alkaa preiniitiaatiokompleksin, joka sisältää ULK1:n (Unc-51-kuten kinaasi 1), Atg 13:n ja 101:n (autofagiaan liittyvät proteiinit) ja FIP200:n (focal adheesion kinase family interacting partner 200), aktivoitumisesta ja jatkuu luokan III fosfatidyyli-inositidin 3-kinaasin (PI3K), beclin1:n, Atg 14:n, AMBA1:n (autofagian ja beclin 1:n säätelijän) ja Vps 34:n ja 15:n (vaskulaarinen proteiinien lajittelu) värvääminen, mikä johtaa fosfatidyyli-inositolin tuotantoon {{17} fosfaatti (PI3P).

Ubikvitinoituneet proteiinit rekrytoivat autofagiaadapteriproteiineja, kuten naapuri-BRCA1-geeni (NBR1), optineuriini (OPTN), Tax-1sitova proteiini (TAX1BP1), ydinpisteproteiini 52 (NDP52) tai sekvestosomi-1, jotka vuorovaikutuksessa autofagosomiproteiinien, kuten GABARAP tai LC3, kanssa välittääkseen autofagosomien muodostumista. Autofagosomin fuusiota lysosomien kanssa välittävät LC3, Rab7, LRRK2 ja LAMP-2 (katso teksti).

Kuitenkin on olemassa myös Parkinista riippumattomia mitofagian polkuja [113], kuten reseptorivälitteinen mitofagia. Tutkituimpia reseptorivälitteiseen mitofagiaan osallistuvia proteiineja ovat AMBRA1, FUNDC1 (FUN14-domeenia sisältävä proteiini 1), NIX (Nip3-likeprotein) ja BNIP3, jotka sijaitsevat OMM:ssä, sekä kardiolipiini ja estoproteiini 2 (PHB2). )IMM:ssä [113].

Nämä reseptorit voivat sitoutua LC3:een Parkinista riippumattomalla tavalla [128] ja indusoida mitofagiaa. Niiden transkriptio voidaan aktivoida eri olosuhteissa. Esimerkiksi BNIP3:n ja NIX:n transkriptio aktivoituu hypoksian vaikutuksesta hypoksialla indusoituvan tekijän 1 alfan (HIF1) kautta [129], jolla on fosforylaation jälkeen korkea sitoutumisaffiniteetti LC3:een [130]. FUNDC1:n defosforylaatio hypoksialla helpottaa sen sitoutumista LC3:een [131].

Viime vuosina tutkijat ovat osoittaneet, että mitokondriot voidaan puristaa soluista ja ottaa endosytoosin tai fagosytoosin kautta viereisiin soluihin, missä ne lopulta läpikäyvät mitofagian, ilmiötä kutsutaan solunväliseksi mitofagiaks [113,132].

On perusteltua olettaa, että mitokondrioiden siirtäminen takaisin solusomaan dendriitti-oraksoneista olisi energeettisesti epäedullista, minkä vuoksi hermosolut vapauttavat mitokondrioiden atsynapseja gliasolujen hajottamiseksi [133].

Glyasolut puolestaan ​​voivat siirtää mitokondrioita hermosoluihin ja suojata jälkimmäisiä hypoksialta ja energiahäiriöltä [134]. Tarkkoja mitokondrionsiirron reittejä tutkitaan edelleen, mutta jotkin tutkimukset ehdottivat mitokondrioita solun tukiston motorisiin proteiineihin yhdistävän proteiinin, nimittäin MIRO1:n, tärkeän roolin [135], kun taas toiset osoittivat astrosyyttisen GFAP:n (glial acidic fibrillary protein) ja hermosolujen UCP2:n (irrottava proteiini 2) osallisuutta. ) [136]. Toinen tapa hävittää vaurioituneet mitokondriot on tunnistettu vuonna 1992 [137] ja nimetty mitoptoosiksi.

Sen avulla solut voivat hajottaa mitokondrioita avaamatta MPTP:tä ja sytyttämättä apoptoosia [113]. Mitokondriaalisen kalvon depolarisaatio, mitokondriaalisen DNA:n (mtDNA) vaurioituminen ja ROS aktivoivat todennäköisesti mitokondrion [113].

Mitoptoosin tarkat mekanismit vaativat lisätutkimuksia, mutta useita tilanteita on kuvattu, kuten cristae turpoaminen ja fragmentoituminen, jota seuraa cristae-fragmenttien sytoplasminen ekstruusio OMM:n halkeamisen kautta [138] tai cristae-solujen heikkeneminen IMM:n yhtymisen kautta ja ehjän OMM:n säilyminen. [138].

ROS:lla on keskeinen rooli autofagian ja mitofagian säätelyssä. Yksi edellä mainittu reitti on mTOR-polku. Aminohapporikas ympäristö johtaa mTOR-kompleksin 1 (mTORC1) siirtymiseen lysosomaaliselle pinnalle, jossa se vuorovaikutuksessa Rhebandin kanssa aktivoi mTOR:n [139], kun taas nälkään mTOR kolokalisoituu LC3:n kanssa ja käynnistää autofagian [140].

Ottaen huomioon, että mTOR-hapetus estää sen aktiivisuutta, on erittäin todennäköistä, että ROS säätelee tätä vaihetta [141]. Lisäksi IκB-kinaasin ja JNK1:n S-nitrosoituminen typpioksidilla estää niiden aktiivisuutta, mikä puolestaan ​​estää mTOR-inaktivoitumisen ja Beclinin vapautumisen Beclin-Bcl-2-kompleksista [93,142].

Toinen reitti on beclin{0}}luokan III PI3K-kompleksi, jossa on joukko kofaktoreita, kuten AMBRA1, Baxin kanssa vuorovaikuttava tekijä 1 (Bif-1) tai Rubicon (RUN-verkkotunnuksen ja kysteiinirikkaan verkkotunnuksen sisältävä beclin) -1-vuorovaikutteinen proteiini) [143]. Muita autofagian säätelyaineita ovat IP3-reseptori, AMPK (50-AMP-aktivoitu proteiinikinaasi) ja DAPK (kuolemaan liittyvä proteiinikinaasi) [144,145].

ROS ja reaktiiviset typpilajit indusoivat translaation jälkeisiä proteiinimodifikaatioita, jotka myös säätelevät transkriptiotekijöiden aktiivisuutta. Esimerkiksi Nrf2 (ydintekijä-erytroidi 2-liittyvä tekijä 2)/Keap1 (Kelchin kaltainen enoyyli-CoA-hydrataasi-assosioitunut proteiini 1) -reitillä Keap1:n modifikaatiot johtavat Nrf2:n vapautumiseen, joka sitoutuu ARE( antioksidanttivasteelementti) ja siirtyy ytimeen, jossa se aktivoi antioksidanttientsyymigeenien ja -proteiinien, kuten p62 tai p53, transkription.

Vaikka p62 aktivoi autofagiaa [146, 147], p5 liittyy sekä autofagiaa inhiboiviin että edistäviin geeneihin TIGAR:n (kasvainproteiinin 53- indusoima glykolyysin ja apoptoosin säätelijä) ja DRAM:n (vauriosäädellyn autofagian modulaattori) kautta [148, 149].

Autofagian heikentynyt säätely puolestaan ​​johtaa lisääntyneeseen oksidatiiviseen stressiin ja ubikvitinoitujen proteiinien kertymiseen, joista jälkimmäinen aiheuttaa mitokondrioiden toimintahäiriöitä ja lisää edelleen ROS-generaatiota eteenpäinsyöttösilmukassa [93].

4. Aivot ja oksidatiivinen stressi

Happi on ratkaisevan tärkeää solujen asianmukaiselle toiminnalle, koska se osallistuu ATP:n muodostukseen [61]. Valitettavasti hapen univalenssin metabolisen pelkistystilan vuoksi, kun hapen kaksi yksinäistä elektronia pyörii rinnakkain, se voi hyväksyä vain yhden elektronin kerrallaan [150], mikä johtaa lajeihin, joissa on yksi pariton elektroni, joka voi olla olemassa omana. Halliwell määrittelee vapaiksi radikaaleiksi [151].

Happijohdannaiset ovat joko vapaita radikaaleja, kuten superoksidianioni (•O2−), hydroksyyliradikaali (HO•), hydroperoksyyliradikaali (HO2•) ja peroksyyliradikaaleja (ROO•), tai ei-radikaaleja, jotka voidaan muuttaa radikaaleiksi, kuten vetyperoksidina (H2O2) [61,152].

Redox-signalointia käytetään laajasti aivoissa [153], koska se osallistuu signaalin välitykseen ja geenien transkriptioon. Esimerkiksi NADPH-oksidaasit (NOX:t) säätelevät hippokampuksen pitkäaikaista tehostumista [154], ja NOX2-johdettu superoksidi ja vetyperoksidi säätelevät hippokampuksen esisolujen kasvua aikuisen aivoissa fosfatidyyli-inositoli-3-kinaasin (PI3K)/Akt-signalointireitin kautta. [155].

Samoin NOX-peräisellä H2O2:lla on hyödyllinen rooli aksonien regeneraatiossa ja aksonipolun löytämisessä kehittyvien aivojen johdotuksen aikana [156,157]. Hypoksian seurauksena mitokondrioista peräisin oleva superoksidi-indusoitu signalointi johtaa adaptiivisiin vasteisiin [158].

Liiallisten vapaiden radikaalien mahdollisten haitallisten vaikutusten vastapainoksi biologisissa järjestelmissä on joukko antioksidanttipuolustuksia, jotka voidaan jakaa entsymakoneihin (superoksididismutaasit, katalaasi, glutationiperoksidaasit, glutationitransferaasit, tioredoksiinit ja peroksiredoksiini) ja ei-entsymaattisiin suojauksiin. kuten A-, C-, E-vitamiinit, beetakaroteeni tai glutationi [159].

Aina kun vapaiden radikaalien tuotantonopeus ylittää biologisen järjestelmän kyvyn neutraloida ne, syntyy oksidatiivinen stressi.

4.1. Aivojen haavoittuvuus oksidatiiviselle stressille

Hermosto on erittäin herkkä oksidatiiviselle stressille useista syistä [153,160–162]:- Aktiopotentiaalit aiheuttavat kalsiumin sisäänvirtausta ja nostavat solunsisäisen kalsiumpitoisuuden noin 0,001 µm:stä noin 100 µm:iin [ 163].

Korkea solunsisäinen Ca2+ aktivoi nNOS:n (neuronaalisen typpioksidisyntaasin) ja johtaa NO:n (typpioksidin) muodostumiseen [164], joka sitoutuu sytokromi-c-oksidaasiin ja estää mitokondrioiden hengitystä [165]. Mitokondriot yrittävät puskuroida solunsisäistä kalsiumia, mutta sitä seuraava kalsiumin ylikuormitus aiheuttaa MPTP:n pitkittyneen avautumisen ja estää ATP:n muodostumista, mikä indusoi apoptoosia [166].

Aivot tarvitsevat erittäin paljon energiaa ylläpitääkseen ionigradientteja ja tukeakseen synaptista siirtoa [19], ja ne luottavat pääasiassa synaptisiin mitokondrioihin tarvittavan energian tuottamiseksi [167]. Esimerkiksi välittäjäainevesikkelin vapautuminen vaatii 1,64 × 105 ATP/s/vesikkeli [19].

- Aivoilla on alhainen antioksidanttipuolustus. Hermosoluissa on 50 kertaa vähemmän katalasetaanihepatosyyttejä [168], kun taas sytosolista glutationia on noin 50 % vähemmän hermosoluissa verrattuna muihin soluihin [153], mikä saattaa heikentää peroksiredoksiiniaktiivisuutta [169]. - Aivojen immuunisolut Microglia ovat H2O2 aktivoi [170] ja tuottaa superoksidia NADPH-oksidaasin isoformien kautta, jota tarvitaan bakteerien tappamiseen [171].

- Välittäjäaineiden aineenvaihdunta, kuten dopamiiniaineenvaihdunta monoamiinioksidaasien kautta, tuottaa ROS:ää [153,172].- Välittäjäaineet, kuten dopamiini, serotoniini tai adrenaliini, voivat itsehapettua ja tuottaa superoksidia [173,174].

- Aivot ovat rikastettu redox-aktiivisilla siirtymämetalleilla, kuten Cu+ tai Fe2+ [175]. Ironisoi katalysaattorina hydroksyyliradikaaleja synnyttävässä Fenton-reaktiossa ja katalysoi myös peroksyyli- ja alkoksyyliradikaalien muodostumista, mikä myötävaikuttaa ferroptoosiin, solukuoleman muotoon, joka riippuu lipidiperoksidaatiosta ja Fe{6}} [176]. Cu+ on Cu/ZnSOD:n kofaktori ja tärkeä solujen signaloinnille [177 178], mutta se tehostaa kuparin katalysoimaa Fenton-reaktiota [175].

- Aivoissa on erityisen paljon kolesterolia, joka voi joutua autohapettumaan [179] ja aivosoluilla on korkeampi kalvon pinta/sytoplasminen tilavuussuhde, ja solukalvoissa on runsaasti monityydyttymättömiä rasvahappoja (PUFA), jotka ovat erittäin herkkiä peroksidaatiolle vapaiden rasvahappojen kautta. radikaalihyökkäys [153].- Aivojen kehitys ja plastisuus riippuvat ei-koodaavista RNA:ista (pitkät ei-koodaavat RNA:t ja mikroRNA:t) [180], mutta näistä molekyyleistä puuttuu suojaavia histoneita ja ne hapettuvat helposti [181]. Hapetettu lähetti-RNA johtaa typistyneisiin ja mutatoituihin proteiineihin, jotka ovat alttiita väärinlaskostumiselle [182].

4.2. Vapaiden radikaalien lähteet

Ylimääräisiä vapaita radikaaleja voi muodostua monista lähteistä.

4.2.1. Mitokondriot ja oksidatiivinen stressi

Mitokondrioita pidetään perinteisesti ROS:n päälähteinä. Ainakin 10 mahdollista ROS-tuotannon lähdettä on tunnistettu [183], mutta ETC:n [184] kompleksit I (NADH-dehydrogenaasi) ja III (ubikinonisytokromi-c-reduktaasi) ovat tärkeimmät.

Elektronien siirtäminen koentsyymi Q:ksi tai ubikinoniin kompleksien I ja II avulla johtaa inubikinoliin (pelkistetty ubikinoni, QH2), joka regeneroi koentsyymi Q:n semikinonianionin (•Q−) kautta. Se on epästabiili välituote, joka voi siirtää elektroneja molekyylihapelle, mikä johtaa superoksidin muodostumiseen. [60]. Koska reaktio on ei-entsymaattinen, korkeammat metabolikraatit lisäävät superoksidin tuotantoa [185].

Superoksidi on erittäin epästabiili, ja mitokondrioiden superoksididismutaasi 2 (SOD2, mangaani SOD) ja sytosolinen SOD1 (kupari-sinkki SOD) muuttavat sen vakaammaksi vetyperoksidiksi (H2O2).

Jälkimmäinen voi poistua IMM:stä akvaporiinikanavien kautta ja diffundoitua OMM:n kautta sytoplasmaan, jossa se toimii redox-signalointina, tai pelkistyy edelleen vesibykatalaasiksi, glutationiperoksidaaseiksi ja peroksiredoksiineiksi [186–189]. Muita ROS:n muodostumista edistäviä mitokondriokomponentteja ovat monoamiinioksidaasi, glyserolifosfaattidehydrogenaasi, -ketoglutaraattidehydrogenaasi ja p66shc [60,183,190].

Mitokondrioiden ROS-tuotanto on alttiina metabolisten tekijöiden aiheuttamille vaihteluille. Esimerkiksi NADH/NAD+-suhde vaikuttaa ROS:n muodostumisnopeuteen, joka lisääntyy lähes lineaarisesti NADH:n vähenemisen myötä [191]. Sukkinaattitasot voivat vaihdella jopa normaaleissa olosuhteissa välillä 0,3 ja 1 mM [192], ja kohonneet sukkinaattipitoisuudet lisäävät voimakkaasti mitokondrioiden ROS-tuotantoa [183,193].

ROS-tuotannon nopeuteen vaikuttaa myös mitokondrioiden kalvopotentiaali [183]. ADP:n aktiivinen mitokondriofosforylaatio tai mitokondrion kalsiuminotto vähentää kalvopotentiaalia, mikä vaikuttaa ETC:n redox-potentiaaliin ja vähentää ROS-tuotantoa [194]. Hapenpuute tai iskemia lisää merkittävästi mitokondrioiden ROS-tuotantoa [195], vaikka tämä vaikutus ei välttämättä liity mitokondrioihin sinänsä, vaan pikemminkin hypoksian käynnistämiin signalointireitteihin [196].

4.2.2. NADPH-oksidaasi ROS:n lähteenä

NADPH-oksidaasi (NOX) kuvattiin ensimmäisen kerran fagosyyteissä [197], minkä jälkeen on tunnistettu seitsemän NOX-geeniä: NOX 1–5 ja DUOX 1 ja 2 [198]. Aivot ilmentävät pääasiassa NOX2:ta sekä NOX4:ää, jotka molemmat kuvataan aivokuoressa ja CA1:n aivotursoalueella [199].

NOX2-entsyymikompleksissa on kalvoon sitoutunut sytokromi b558, useita sytosolisia proteiineja ja Rac G-proteiini. Sytosolisten proteiinien fosforylaation ja Racin aktivoitumisen jälkeen entsyymi siirtyy kalvolle ja muodostaa aktiivisen NOX2:n sytokromi b558:n kanssa [200]. Lisäksi NOX2 siirtää protoneja kalvon läpi ja johtaa superoksidin muodostumiseen [198].

NOX4 tuottaa pääasiassa H2O2:ta, jota käytetään solujen lisääntymisen ja erilaistumisen toissijaisena viestinä [201].

NOX on kuvattu hermosoluissa, astrosyyteissä ja mikroglioissa [202], kun taas solutasolla NOX-isoformit lokalisoituvat endoplasmiseen retikulumiin, ytimeen, plasmakalvoon ja mitokondrioihin [203, 204]. Aktivoidun NOX:n tuottama ROS voi depolarisoida mitokondrioiden kalvon ja yhdessä kalsiumin kanssa voi johtaa MPTP:n avautumiseen [205] sekä aktivoida fosfolipaasi C:tä ja myöhempiä muutoksia kalvon rakenteessa [198].

4.2.3. Monoamiinioksidaasi ROS:n lähteenä

Monoamiinioksidaasit (MAO A ja B) ovat OMM:ssä sijaitsevia flavoentsyymejä, jotka kataboloivat amiinin välittäjäaineita, kuten serotoniinia, epinefriiniä ja dopamiinia [206].

MAO-A ilmentyy hermosoluissa, kun taas MAO A ja B löytyvät gliasoluista [198]. He käyttävät FAD:ia monoamiinien hajottamiseen, prosessiin, jonka aikana syntyy aldehydejä, kun taas H2O2 on seurausta FAD-FADH2-syklistä [198].

4.2.4. Peroksisomit ja ROS-tuotanto

Vaikka tärkein H2O2:n muodostumiseen johtava metabolinen peroksisomaalinen prosessi on vapaiden rasvahappojen hapetus [60], useat muut peroksisomaaliset entsyymit, kuten ksantiinioksidaasi, D-aspartaattioksidaasi, asyyli-CoA-oksidaasit, D-aminohappooksidaasi, uraattioksidaasi tai L - -hydroksioksidaasi, voi tuottaa erilaisia ​​ROS-yhdisteitä, kuten superoksidi-, vetyperoksidi-, typpioksidi- tai hydroksyyliradikaaleja [207].

4.2.5. ROS:n eksogeeniset lähteet

Endogeenisen ROS:n useiden lähteiden lisäksi eksogeeninen ROS voi lisätä oksidatiivista stressiä. Yleisimmät lähteet ovat veden ja ilman saastuminen, altistuminen ultraviolettivalolle, alkoholille ja tupakansavulle, torjunta-aineet, teolliset liuottimet, epäterveellinen ruokavalio (savuliha, runsasrasvainen ruokavalio), altistuminen raskasmetalleille tai siirtymämetalleille (Fe, Cr, Co, Cu) ,Hg, Pb, As), sekä tietyt lääkkeet, kuten doksorubisiini, bleomysiini, metronidatsoli tai parasetamoli [60].

4.3. ROS:n tavoitteet

Erittäin reaktiiviset vapaat radikaalit vahingoittavat proteiineja, lipidejä ja nukleiinihappoja [152].

4.3.1. Proteiinit ja ROS

Proteiineja voivat hapettaa radikaalit, kuten superoksidi-, hydroksyyliradikaalit, peroksyyli-, hydroperoksyyli- tai alkoksyyliradikaalit, sekä ei-radikaalilajit tai singlettihappi [208].

Aminohappojen, kuten lysiinin, arginiinin, proliinin tai treoniinin, hapettuminen johtaa karbonyylijohdannaisiin, joita käytetään oksidatiivisen stressin merkkiaineina [209]. Metioniini ja kysteiini rikkiä sisältävinä aminohappoina ovat erittäin herkkiä hapettumiselle, mikä johtaa disulfideihin ja metioniinisulfoksidiin [210].

Proteiinin hapettuminen johtaa proteiinien ja proteiinien ristisidoksiin, toiminnan muuttumiseen, entsymaattisen aktiivisuuden menettämiseen ja reseptori- ja kuljetusproteiinien toiminnallisiin modifikaatioihin [211].

Lisäksi vetyperoksidi- ja hydroksyyliradikaalit estävät astrosyyttien glutamaatin ottoa, mikä lisää eksitotoksisuutta [212]. Tämän seurauksena nämä muuttuneet proteiinit on puhdistettava joko autofagia-lysosomireitin tai ubikvitiini-proteasomijärjestelmän kautta [213, 214].

Ubikitiini-proteasomaalinen järjestelmä (UPS), joka on ubikvitinoitujen väärin laskostuneiden proteiinien ja lyhytikäisten signalointimolekyylien tärkein hajoamisreitti, sisältää 19S-alayksikön ja katalyyttisesti aktiivisen 20S-ytimen [215]. Chaperoniproteiineilla varustettu säätelykorkki avaa kohdeproteiinin poistaen ubikvitiinimerkin ATP-riippuvaisessa prosessissa, minkä jälkeen kohdeproteiini syötetään katalyyttiseen ytimeen ja proteasomaaliset entsyymit hajottavat sen.

Vakavassa stressissä UPS ylikuormituu, ja autofagia-lysosomireitti kompensoi lisääntynyttä proteiinivauriota [107]. Sarja autofagiareseptoreita, kuten p62, NDP52 tai NBR1, tunnistaa ubikvitiiniosan ja kohdistaa leimattuja proteiineja autofagosomiin sitoutumalla. Atg8/LC3:een [216 217].

FOXO3 (forkhead box O3) on oksidatiivisen stressin aktivoima transkriptiotekijä, joka säätelee proteasomaaliseen ja autofagiseen proteiinien hajoamiseen osallistuvien geenien transkriptiota [218]. Lisäksi Parkin, ubikitiiniligaasit ja CHIP (Hsc{4}}-vuorovaikutteisen proteiinin C-pää) myötävaikuttavat sekä proteasomaaliseen että autofagosomaaliseen proteiinien hajoamiseen [107,219].

Suhteelliset tasot BAG:n (Bcl{0}} assosioituneen siirtogeenin) 1:n ja BAG3:n, kochaperoniproteiinien, välillä ohjaavat soluproteiinien hajoamisreitin kohti proteasomaalista tai fagosomaalista [220].

4.3.2. Lipidit ja ROS

Vapaat radikaalit tai ei-radikaaliset hapettavat lajit hyökkäävät lipidien CC-kaksoissidoksia vastaan, minkä vuoksi monityydyttymättömät rasvahapot ovat erittäin herkkiä hapettumishyökkäykselle [221].

Alkuvaiheessa vapaa radikaali on vuorovaikutuksessa rasvahapossa olevan metyleeniryhmän kanssa ja muodostaa lipidiradikaalin hajottamalla vetyatomin [222]. Lisäksi lipidiradikaalit reagoivat molekyylisen O2:n kanssa muodostaen peroksyyliradikaaleja (ROO•) [223], jotka käynnistävät ketjun itsestään jatkuvia reaktioita, jotka vahvistavat prosessia.

Tämä johtaa syklisiin peroksideihin ja hydroperoksideihin, jotka voivat edelleen hajota aldehydeiksi, jolloin lopputuotteet ovat malondialdehydi (MDA), hydroksynonaali (HNE) ja akroleiini [224].

Prosessi päättyy joko lipidiradikaalien vuorovaikutuksella lipidiperoksidien kanssa, jolloin tuloksena on ei-reaktiivisia pysyviä lajeja [221], tai endogeenisten tai eksogeenisten antioksidanttien (C- ja E-vitamiinit) interventiolla [222,225].

Alhaisina pitoisuuksina 4-HNE:llä on tärkeitä homeostaattisia rooleja toimimalla signalointimolekyylinä ja moduloimalla geenin ilmentymistä indusoimalla translaation jälkeisiä proteiinimodifikaatioita.

Yleisimmät kohteet ovat tiolitähteet [225]. Vuorovaikutuksessa Keap1:n kysteiinitiolien kanssa 4-HNE johtaa Nrf2:n vapautumiseen, joka translokoituessaan tumaan aktivoi ARE-geenien, kuten glutationi-S-transferaasin, NADPH-riippuvaisen kinonireduktaasin tai hemioksigenaasin, ilmentymisen{ {7}} [226]. Toinen 4-HNE:n kohde on NF-κB, proinflammatoristen sytokiinien transkriptiotekijä, joka pysyy normaalisti lepotilassa sitoutumalla IKB:hen (inhibiittori kappa B).

Solustressin alaisena IκB-kinaasi fosforyloi IκB:tä, mikä helpottaa NF-κB:n vapautumista, transkriptiotekijää, joka välittää antiapoptoottisten Bcl-2-proteiinien ja tulehduksellisten sytokiinien, kuten asinterleukiini-6 (IL-6) transkriptiota. .

4-HNE estää IKB-kinaasia ja estää siten IKB-fosforylaatiota ja NF-KB:n tuman translokaatiota [227]. Kuitenkin kalvon lipidiperoksidoitumisen seurauksena kalvo muuttaa läpäisevyyttä, lisää sen jäykkyyttä ja voi jopa menettää eheyden [228]. .

Lisäksi lipidiperoksidaatiotuotteet osallistuvat monimutkaisiin signalointireitteihin. 4-HNE:n solunsisäinen kertyminen voi johtaa apoptoosiin sekä sisäisen että ulkoisen reitin kautta [225]. 4-HNE lisää p53:n ilmentymistä, mitä seuraa p21:n, JNK:n, Baxin ja kaspaasi 3:n aktivaatio [229], mikä johtaa kaspaasivälitteiseen apoptoosiin.

Lisäksi 4-HNE käynnistää kuolemaan liittyvän proteiinin Daxx sitoutumisen Fas:n solunsisäiseen pintaan [230] ja osallistuu siten apoptoosin ulkoisen reitin modulaatioon alavirran signalointiproteiinien ASK1 ja JNK kautta [225].

Lisäksi korkeat HNE-tasot voivat muodostaa konjugaatteja JNK:n kanssa, joka on vastuussa histonin modifikaatiosta ja tuman translokaatiosta [231], tai ne voivat aktivoida JNK:n SPKK1:n (stress-aktivoitu proteinkinaasikinaasi-1) -aktivaation kautta [232]. Samoin HNE voi aktivoida ERK:n aktivoimalla MEK1/2:ta ja p38MAPK:ta (mitogeenilla aktivoitu proteiinikinaasi) [233,234].

For more information:1950477648nn@gmail.com